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如今我们在读各类科普读物时,经常可以看到“相对论”的身影,这个理论正在揭示出越来越多的东西。尤其是当科学家们大笔一挥写下一串偏微分方程,然后告诉你它的某个解预测了什么可能性时,相对论的神秘感就又上了一个新台阶。而实际上,爱因斯坦当初创立它时很可能并未想那么多。不然,当他对“不确定性原理”横加指责时,就应该能想到用相对论来加以验证。事实上是他的对手海森堡这样做了,结果达到了比用其它任何理论更让他哑口无言的效果。
先不管科学家们又从“相对论”身上发现了什么新东西,这个理论(狭义)当初在发表时所确切表达的观点只有一个:时间和空间都不是绝对的,而是会随观测者的位置不同发生变化。这句话用通俗的语言表述就是:1、你的时间不等同于我的时间;2、你的空间也不等同于我的空间。
关于时间的相对性,其实对中国人来说并不陌生,因为《西游记》中曾多次提到过“山中方一日,世上已千年”的言论。这句话和相对论说的其实是一回事:一个人去山里待了一天,出来的时候,外面的世界却已经过去了整整一千年。这个人的时间显然和山外人的时间是不一样的。
整个狭义相对论是建立在两个基本原理之上的:“相对性原理”和“光速不变原理”。前者与我们的常识符合地非常好,理解起来不会有任何困难;后者却是难点中的难点,甚至可以说,搞清这个原理后,整个狭义相对论就只剩下些逻辑推导了。因此在正式开始前必须重点介绍一下。
光速不变原理
依据直观的经验,速度是可以相加减的。比如,当你以5米/秒的速度与另一个10米/秒的人同向而行,你们的相对速度就是10-5=5米/秒(图1)。反之,当你们相向而行时,相对速度就是10+5=15米/秒(图2)。

图1

图2
人们最初在理解光速时,也想当然地认为它必然符合这一基本规律。比如在下面这张图中,太阳向左发生出一束光,地球以30千米/秒的速度运动到A点时,与光束同向,这时观测到的光速应该慢一些;当地球运动到B点时与光束反向,这时观测到的光速应该快一些。遗憾的是,这与实验结果不符(这些实验的正确性目前还存在很大争议)。

当时人们设想,光的传播需要一种媒介,这种媒介相对于宇宙中某个绝对静止的点保持静止时,光速为30万千米/秒,而当它运动起来时,光速就会随之加快或减慢。如果把一个短跑运动员比作光,把风比作光的传播媒介,那么这个运动员顺风跑时速度就会快些,逆风跑时速度就会慢些。风度越大他受到的影响就越大,反之就越小。光和它的传播媒介间的关系大体可以这样理解。(1887年,迈克尔孙-莫雷实验证明不存在这样的媒介)
爱因斯坦首先意识到,宇宙中也许根本就没有绝对静止的点。当时已知地球是绕着太阳转的,所以地球上没有这样的点;而太阳是随银河系转动的,这个点也不可能在太阳上。1929年,天文学家哈勃发现了宇宙的红移现象 – 整个宇宙都在膨胀!看来真的没有哪个点是绝对静止的。
既然任何地方都不是静止的,"绝对静止的传播媒介" 这个设想就是多余的,而不管人们在哪里测量光速,得到的结果都是一样的。这就说明光速不受测量者速度的影响,它永远都是30万千米/秒。
爱较真儿的朋友可能仍希望存在一个对“绝对光速”的合理解释,然而遗憾的是,目前人类还无法解释这种现象。对于不了解的事实采取硬性接受的态度并非荒谬之举。比如,每年无数金融学家们建立模型试图模拟市场价格变化,但市场就是不照着他们的模拟走。是市场错了吗?不是。市场永远是对的,不管你理解多少、感悟多少,你只能原封不动地接受它。同样地,微积分在得到推广应用的几十年后,它的理论基础“极限”仍未得到科学性的阐述,但这并不妨碍它与事实的完美符合。
也许有一天,物理学的发展可以解释光速不变的原因,或者证明它是可变的。但是在此之前,不妨心平气和地接受它。更何况,当你感到世事无常,一切都在变化时。至少有一样东西是"永恒的":光速!(需要强调的是,光速不变并非指它在任何媒介或条件下都保持不变。光在水中的速度与空气中的速度就明显不同。这里的“永恒”“不变”指的是,在同介质的惯性系中,光速不受测量者速度的影响。)





